LVS实现负载均衡原理

其他 2018-07-30 20:53:47 阅读次数: 0

使用LVS实现负载均衡原理及安装配置详解

    负载均衡集群是 load balance 集群的简写，翻译成中文就是负载均衡集群。常用的负载均衡开源软件有nginx、lvs、haproxy，商业的硬件负载均衡设备F5、Netscale。这里主要是学习 LVS 并对其进行了详细的总结记录。

一、负载均衡LVS基本介绍

    LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

    LVS是 Linux Virtual Server 的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是 http://www.linuxvirtualserver.org 现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

 

二、LVS的基本工作原理

1. 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间
2. PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链
3. IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链
4. POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

 

三、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。
2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

 

四、LVS相关术语

1. DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
2. RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
3. VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
4. DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
5. RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
6. CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

下边是三种工作模式的原理和特点总结。

 

五、LVS/NAT原理和特点

1. 重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

(a). 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(c). IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
(e). Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
(f). Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

2. LVS-NAT模型的特性

  • RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
  • DIP和RIP必须在同一个网段内
  • 请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈
  • 支持端口映射
  • RS可以使用任意操作系统
  • 缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

 

六、LVS/DR原理和特点

1. 重将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址

 

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址
(d) 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
(e) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端

2. LVS-DR模型的特性

  • 特点1：保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS
  • RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
  • RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持地址转换，也不支持端口映射
  • RS可以是大多数常见的操作系统
  • RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
  • RS上的lo接口配置VIP的IP地址
  • 缺陷：RS和DS必须在同一机房中

3. 特点1的解决方案：

  • 在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server
  • 存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用
  • arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的
  • 修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

 

七、LVS/Tun原理和特点

在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端

LVS-Tun模型特性

  • RIP、VIP、DIP全是公网地址
  • RS的网关不会也不可能指向DIP
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持端口映射
  • RS的系统必须支持隧道

其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，后边实践中会总结 DR 和 NAT 具体使用配置过程。

 

八、LVS的十种调度算法

1. 轮叫调度 rr
这种算法是最简单的，就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去。

2. 加权轮叫 wrr
这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念，可以给 RS 设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充， LVS 会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加要给权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。

3. 最少链接 lc
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1 

4. 加权最少链接 wlc
这个算法比 lc 多了一个权重的概念。

5. 基于局部性的最少连接调度算法 lblc
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其它可行的服务器

6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。

7. 目标地址散列调度算法 dh
该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。

8. 源地址散列调度算法 sh
与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。

9.最短延迟调度 SED

    在WLC基础上改进，Overhead = （ACTIVE+1）*256/加权，不再考虑非活动状态，把当前处于活动状态的数目+1来实现，数目最小的，接受下次请求，+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷：当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。

10.永不排队/最小队列调度 NQ    

    无需队列。如果有台 realserver的连接数＝0就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有一个主机很空间。在SED基础上无论+几，第二次一定给下一个，保证不会有一个主机不会很空闲着，不考虑非活动连接，才用NQ，SED要考虑活动状态连接，对于DNS的UDP不需要考虑非活动连接，而httpd的处于保持状态的服务就需要考虑非活动连接给服务器的压力。


九、实践LVS的NAT模式

1、实验环境

三台服务器，一台作为 director，两台作为 real server，director 有一个外网网卡(172.16.254.200) 和一个内网ip(192.168.0.8)，两个 real server 上只有内网 ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，并且需要把两个 real server 的内网网关设置为 director 的内网 ip(192.168.0.8)

2、安装和配置

两个 real server 上都安装 nginx 服务
# yum install -y nginx

Director 上安装 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm

Director 上编辑 nat 实现脚本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
# 编辑写入如下内容：
#! /bin/bash
# director服务器上开启路由转发功能:
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 关闭 icmp 的重定向
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects
# director设置 nat 防火墙
iptables -t nat -F
iptables -t nat -X
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE
# director设置 ipvsadm
IPVSADM='/sbin/ipvsadm'
$IPVSADM -C
$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1

保存后，在 Director 上直接运行这个脚本就可以完成 lvs/nat 的配置

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

查看ipvsadm设置的规则

ipvsadm -ln

3、测试LVS的效果

通过浏览器测试2台机器上的web内容 http://172.16.254.200 。为了区分开，我们可以把 nginx 的默认页修改一下：

在 RS1 上执行
# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

在 RS2 上执行
# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html

注意，切记一定要在两台 RS 上设置网关的 IP 为 director 的内网 IP。

 

十、实践LVS的DR模式

1、实验环境

三台机器：

  • Director节点：  (eth0 192.168.0.8  vip eth0:0 192.168.0.38)
  • Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)
  • Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

2、安装

两个 real server 上都安装 nginx 服务
# yum install -y nginx

Director 上安装 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm

3、Director 上配置脚本

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
#! /bin/bash
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
ipv=/sbin/ipvsadm
vip=192.168.0.38
rs1=192.168.0.18
rs2=192.168.0.28
ifconfig eth0:0 down
ifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip dev eth0:0
$ipv -C
$ipv -A -t $vip:80 -s wrr 
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1

执行脚本：

# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

4、在2台 rs 上配置脚本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
#! /bin/bash
vip=192.168.0.38
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

rs 上分别执行脚本：

bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

5、实验测试

测试方式同上，浏览器访问 http://192.168.0.38

注意：在 DR 模式下，2台 rs 节点的 gateway 不需要设置成 dir 节点的 IP 。

参考链接地址：http://www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html

 

十一、LVS结合keepalive

LVS可以实现负载均衡，但是不能够进行健康检查，比如一个rs出现故障，LVS 仍然会把请求转发给故障的rs服务器，这样就会导致请求的无效性。keepalive 软件可以进行健康检查，而且能同时实现 LVS 的高可用性，解决 LVS 单点故障的问题，其实 keepalive 就是为 LVS 而生的。

1、实验环境

4台节点

  • Keepalived1 + lvs1(Director1)：192.168.0.48
  • Keepalived2 + lvs2(Director2)：192.168.0.58
  • Real server1：192.168.0.18
  • Real server2：192.168.0.28
  • IP: 192.168.0.38

2、安装系统软件

Lvs + keepalived的2个节点安装

# yum install ipvsadm keepalived -y

Real server + nginx服务的2个节点安装

# yum install epel-release -y
# yum install nginx -y

3、设置配置脚本

Real server节点2台配置脚本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
#! /bin/bash
vip=192.168.0.38
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

2节点rs 上分别执行脚本：
bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

keepalived节点配置(2节点)：

主节点( MASTER )配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.0.38
    }
}

virtual_server 192.168.0.38 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    persistence_timeout 0
    protocol TCP

    real_server 192.168.0.18 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }

    real_server 192.168.0.28 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }
}

从节点( BACKUP )配置文件

拷贝主节点的配置文件keepalived.conf，然后修改如下内容：

state MASTER -> state BACKUP
priority 100 -> priority 90

keepalived的2个节点执行如下命令，开启转发功能：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

4、启动keepalive

先主后从分别启动keepalive
service keepalived start

5、验证结果

实验1

手动关闭192.168.0.18节点的nginx，service nginx stop 在客户端上去测试访问 http://192.168.0.38 结果正常，不会出现访问18节点，一直访问的是28节点的内容。

实验2

手动重新开启 192.168.0.18 节点的nginx， service nginx start 在客户端上去测试访问 http://192.168.0.38 结果正常，按照 rr 调度算法访问18节点和28节点。

实验3

测试 keepalived 的HA特性，首先在master上执行命令 ip addr ，可以看到38的vip在master节点上的；这时如果在master上执行 service keepalived stop 命令，这时vip已经不再master上，在slave节点上执行 ip addr 命令可以看到 vip 已经正确漂到slave节点，这时客户端去访问 http://192.168.0.38 访问依然正常，验证了 keepalived的HA特性。

lvs 介绍：http://www.it165.net/admin/html/201401/2248.html


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转载自blog.csdn.net/tiny_du/article/details/81033176
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